试论振动筛振动与强度崔有权

马路

摘 要：在矿山和冶金企业中，振动筛被广泛应用于选矿、选煤，它是一种大型的机械设备。由于振动筛工作的时候是往复振动的，除了工作需要的振动还包含破坏机构的振动，振动筛的面积越大越容易产生变形，导致振动筛整体较快破损、使用寿命减少。所以说，以前的用经验、类比和静态设计方法设计机构已经远远不能满足要求了。因此，必须采取有效的技术处理机械结构的动态强度问题，本课题特别为解决这一问题而做。通过模态试验测出某型号香蕉筛的模态参数，用三维软件对某型号高频脱水筛进行建模，然后用ANSYS进行模态分析，计算出固有频率、振型，研究后发现二者的固有频率均远离其工作频率，避免了共振；这也是本文想要解决的问题。

关键词：振动筛；动态特性；模态分析；有限元分析

1 前言

伴随着振动筛功能越加齐全，人们对于振动筛结构强度越加关注。现阶段，为了能够解决振动筛振动强度问题，研究人员已经从多个方面进行了大量研究工作，基本上都是通过有限元软件对动力学进行研究。但是由于振动筛有限元数量较多，进而整个研究成本及时间都较高。实验模态分析方法对振动筛的振动与强度进行研究，具有重要现实意义。

2 香蕉筛实验模态分析

模态分析产生于上世纪30年代，是以导纳及机械阻抗作为前提条件，经过多代研究人员共同努力，现在已经形成了相对完善理论方案。近几年，模态分析理论还是和自动控制、数理统计等知识相结合，并且按照自身发展特征，构建了全新理论体系，这也为模态分析奠定了坚实基础条件。

2.1 试验结构的支撑方式

试验结构主要由两部分构成，分别为原型及模型，对特殊结构及设计结构分析上主要应用模型试验。模型试验在应用振动筛分析研究过程中，需要按照有关理论制造模型，在考虑几何相似情况下，还需要考虑振动筛动力相似性。任何试验都需要考虑结构边界，即便物体结构相同而边界条件不同，结构所呈现出来的特性就会存在差别。按照模型实际结构情况，结构边界条件主要可以分为三种类型，分别为固定支撑、原装支撑及自由支撑。一般情况下，试验主要选择远程支撑方式，本文也就选择原装支撑的支撑方式。

2.2 激振器与激励方式

振动筛模态试验分析过程中，最为关键的一个步骤就是激励系统配置及安装。激励系统是否选择及安装合作，对最终试验结果精度会造成直接影响。一般情况下，激励装置主要分别为两种类型，分别为力锤锤击法与激振器激励。激振器体积较大，搬动难度较高，但是力锤携带方便，并且可以激振起香蕉筛，进而本文选择力锤锤击法。

按照模态试验理论，从激励数量及区域来说，激励方式主要可以分为两种类型，分别为单点激励与多点激励。单点激励作为最常见的激励方式，是一个点向一个方向所作出的激励测试，并不需要其他坐标方向作为保证。多点激励表示同时向多个点施加激励的方式。多点激励在应用过程中可以显著增加激励能量，但是整个激励流程十分复杂，进而小型试验无法开展多点激励。按照现阶段试验室硬件配备来说，本文采取单点激励方式。

2.3 激励点及响应点的布置

一般情况下，无法立即就在实验中找到最佳激励点，进而必须具有一定耐心。传感器自身就具有质量，进而传感器在与振动筛相连接之后，振动筛需要承受附加质量，试验检测精确度就会受到影响。按照试验理论分析可知，传感器质量在低于全部构件十分之一情况下，可以暂时忽视传感器的质量。传感器在实际安装过程中需要特别注意；（1）合理选装传感器的安装位置，保证振动筛可以全面反应所检测到的响应；（2）传感器自身的质量对振动筛结构会造成一定影响，进而需要尽可能减少传感器附加质量，进而保证实验结果精确性。

2.4 模态试验检测结果

由于试验时间较为紧张，本次试验并未对香蕉筛进行振型向量检测，仅仅对香蕉筛频的频率、振型、质量、刚度等参数进行检测。

为了能够保证模态实验最终结果精确性，笔者特意测試了一下响应及锤击状态下香蕉筛情况。香蕉筛不管是在响应还是在锤击状态下，都和香蕉筛实际运行情况相吻合，进而本次实验具有一定可操作性。

3 高频脱水筛有限元分析

3.1 模态分析

3.1.1 正对称约束时固有频率及振型

为了能够对高频脱水筛正对称约束固有频率及振型深入了解，笔者对开展了多次试验。在试验之后发现，高频脱水筛的正对称约束时固有频率及振型为107.58HZ，这也就表示高频脱水筛额定频率为24HZ，和运行频率之间相差将近4.4倍，进而高频脱水筛在运行中不会出现共振问题。

3.1.2 反对称约束时的固有频率和振型

在对高频脱水筛前30个阶段固有频率及振型计算完毕之后，按照试验所得到的数据结果显示可知，高频脱水筛反对称约束的固有频率为28.48Hz。

3.2 静力学分析

3.2.1 整体的位移及应力

在经过分析计算之后，对高频脱水筛的等效位移分布情况有了初步了解。高频脱水筛所产生的最大应力应该位于螺栓上面，数值大约为35MPa。

3.2.2 静力学结果分析

按照上述内容显示可知，高频脱水筛所产生的最高应力出现在主梁上面，应力数值为36.4854MPa。脱水筛箱体主要材料为锅炉钢，但是主梁的主要材料为碳素结构钢。脱水筛箱体在运行过程中，会受到动态载荷约束，进而脱水筛所选择的安全系数应该为5。

4 瞬态动力学分析

瞬态动力学分析也被称之为时间历程分析，主要了解结构随着时间变化载荷所发生的变化。瞬态动力学分析可以在瞬态载荷、静载荷、简谐载荷等结构之下，了解位移、应力、应变随着时间推移所发生的变化。在瞬态动力学分析中，时间及载荷是其中主要影响因素，在惯性力及阻尼数值较小情况下，瞬态分析可以用静力学分析所替代。

瞬态动力学分析常见的方法有三种，分别为完全法、缩减法及模态叠加法。本文在对振动筛瞬态动力学分析中，应用模态叠加法分析。模态叠加法主要是借助模态所检测到的振型，然后乘以因子，最终求得计算结构的响应数值。振型叠加法在应用过程中，主要分為两个步骤，分别为计算固有频率及动力响应。动力响应和低阶模态之间有着一定关联，动态响应决定着低阶模态频率。

4.1 积分方法的选择

结构动力响应实际上受到较多因素影响，其中时间步长就是主要影响因素。对时间步长设置过程中，需要从计算精确度角度分析，确定振动筛最大时间步长。结构动力学有关问题分析研究中，主要应用隐式算法分析，进而对时间步长的要求仅仅体现在精度上面。本文在对振动筛瞬态动力学分析研究中，积分方案没有任何稳定条件，进而本文应用隐式算法。

4.2 时间步长的计算

时间步长决定着瞬态分析计算结果的精确性，时间步长差值越小，瞬态分析计算结构精确度也就越高。但是时间步长要是过大，模态响应就会受到影响。所以，在对模态响应计算过程中，在尽可能选择较小的时间步长情况下，还需要提升计算资源利用率。

可以将振动筛结构的动力响应，看成是每一个阶段模态响应的结果。时间步长数值应该可以计算出振动筛整体响应最佳模态数值，应用隐式算法确定积分方案时，最为理想精度级结果为时间步长为最高频率的倒数。

5 结论

本文对香蕉筛进行了实验模态分析，对香蕉筛的固有频率及模态质量等数值有了初步了解，然后对高频脱水筛进行了有限元分析，初步了解高频脱水筛运行情况。除此之外，本文还对振动筛的瞬态动力学进行了分析，最终得到了高频脱水筛的时间位移曲线示意图。

参考文献：

[1] 宋书中，周祖德，胡业发.振动筛分机械发展概述及新型振动筛研究初探[J].矿山机械，2016（4）：71+74.